College aantekeningen Basics of Computer Sytems and Networks
2 views 0 purchase
Course
Basics of Computer Sytems and Networks
Institution
Universiteit Leiden (UL)
Dit zijn de aantekeningen van alle colleges van het vak Basics of Computer Sytems and Networks, in het Nederlands. Er zijn verschillende afbeeldingen gebruikt ter verduidelijking en alles is puntsgewijs opgeschreven.
Hoorcolleges Basics of Computer
Systems and Networks
Hoorcollege 1: Componenten en metriek
- Dit vak legt de basis voor meerdere gebieden: computerarchitectuur, bestuurssystemen en
computernetwerken.
-> doel van het vak: wat gebeurt er wanneer je google.com in je internetbrowser typt en op
Enter drukt?
- Wat is een computer?
-> elektronisch apparaat wat met data werkt; belangrijke is dat je het gedrag later nog kan
aanpassen (nadat het is gebouwd, dus software op downloaden)
-> te vinden in telefoons, laptops, datacenters, auto’s, smartwatches, etc. (overal)
- Belangrijkste componenten van een computer:
-> CPU: brein van de computer (generiek), werkt samen met de main memory (RAM)
-> main memory (RAM): werkgeheugen van de computer (gewist als je de computer uitdoet,
verbonden aan stroom)
-> netwerkkaart: computer laten praten met andere computers
-> moederbord: verbind alle andere componenten met elkaar
-> GPU: grafische dingen laten zien, net als CPU een processing unit (dataverwerking), maar
vooral gefocust op grafische dingen (ook belangrijk bij AI)
-> opslag: harde schijven (met magneetveld dingen opgeschreven; nadeel is dat er bewegende
delen in zitten, gaat kapot); overgang naar solid state storage (SSD), kan permanent dingen
opslaan en is sneller.
-> I/O devices (in- en output devices): bv. toetsenbord (input), of beeldscherm (output)
- SoC = System on Chip componenten koppelen
-> bv. chips van Apple: CPU, GPU en NPU in één.
Bits en bytes
- Computers werken met 1’en en 0’en 1 heeft positieve lading, 0 heeft een negatieve lading.
-> alleen op elektrische computers, niet bij quantumcomputers.
-> 1 gelijk aan ‘true’ of ‘aan’, 0 gelijk aan ‘false’ of ‘uit’.
- Bit = een componentje waar stroom op staat of niet (0 of 1)
-> met één kan je niet rekenen.
- Byte = 8 bits samengezet
-> 8 mooi getal voor computers, omdat 8 een tweemacht is
-> computer werkt met bits, met twee waardes (0 en 1), en daarom is het voor computers
makkelijk om te werken met twee getallen (binair)
-> het is als tellen met slechts 2 getallen, in plaats van 10.
- Hoofdletters versus kleine letters:
-> Kb = kilobit, 1Kb = 1000 bits
-> KB = kilobyte, 1KB = 1000 bytes
-> 8 Kb = 1 KB
- Data transfer speeds
-> KBps (Kilobyte per second) (of MBps, GBps, TBps, etc.)
- Internetverbinding met 100 MBps, kost het 1 seconde om een bestand van 1MB te downloaden.
- Internetproviders adverteren echter meestal graag met Mbps in plaats van MBps.
-> als je dus een internetverbinding van 100 Mbps heeft, is je downloadsnelheid: 100/8 = 12,5
MBps. En het downloaden van een bestand van 100 MB duurt 8 seconden!
Rol van componenten
- Elke component probeert de zwaktes van andere componenten op te lossen.
-> werkgeheugen (RAM) probeert de traagheid van de HDD en de beperkte opslagcapaciteit van
de CPU op te vangen.
-> HDD probeert de tijdelijke opslag van RAM op te vangen.
-> GPU probeert het beperkte parallelisme van de CPU op te vangen.
-> etc.
,Central Processing Unit (CPU)
- CPU (Central Processing Unit): brein van de computer extreem snel in verwerken van data.
-> accepteert bits, verwerkt deze en de output is ook snel.
-> voordeel: super snel
-> nadeel: kan weinig opslaan (beperkte opslag)
- De CPU is een component dat programma instructies en data kan uitvoeren.
-> computerprogramma’s zijn samenstellingen van instructies die zijn opgeslagen in het
werkgeheugen.
-> dus zijn de CPU en het werkgeheugen de twee essentiële componenten van een
computersysteem.
Random Access Memory (RAM)
- Werkgeheugen (RAM, Random Access Memory): zorgt ervoor dat de CPU toch met grotere
dingen kan werken, door dingen van het geheugen op te halen.
-> voordeel: snel
-> nadeel: als de stroom uitgaat, wordt het compleet gewist en heb je er niks aan; en het is vrij
duur
Bus
- Bus: zorgt dat de CPU kan communiceren met RAM, die vaak in het moederbord zit.
-> zo kan CPU toch werken met meer geheugen dan het zelf heeft.
-> het is een elektronisch apparaat voor het communiceren van data (vaak in binaire vorm)
tussen verschillende componenten van de computer.
Opslag
- Opslag: in hoofdgeheugen is niet permanent, daarom harde schrijven (HDD) of SSD
-> voordeel: data opgeslagen, ook als computer uit gaat; en is goedkoop (goedkoper dan op het
werkgeheugen)
-> nadeel: langzaam (in termen van computers) HDD in orde van microseconden, CPU in orde
van nanoseconden (daarom verplaatsen we RAM niet met opslag)
Graphical Processing Unit (GPU)
- GPU (Graphical Processing Unit): eigenlijk heb je alles al om een werkende computer te hebben;
GPU net als CPU een verwerkingseenheid, maar gespecialiseerd in grafische dingen.
-> heel veel kleine processors (CPU’s uit een aantal sterke processors, de GPU uit duizenden
zwakkere)
-> grafische data kan vaak individueel worden verwerkt, waardoor een GPU een betere
(snellere) tool is om dit te verwerken (alle kleine processoren één kleine taak)
-> voordeel: in GPU kan alles tegelijk, en dus heel snel bij kleine taken.
-> nadeel: heel traag voor één grote taak.
- In de video van NVIDIA wordt duidelijk dat de CPU een sterke en flexibele processor is (de
robotarm)
-> maar het werkt met één ding per keer, en stap voor stap (sequentieel)
- De GPU bestaat daarentegen uit een groot aantal kleinere en simpelere processoren.
-> deze simpele processoren zijn beperkt in wat ze kunnen doen (de slangetjes die een
verfballetje schieten in de video)
-> maar deze slangetjes doen hun simpele taak allemaal tegelijkertijd (parallel)
Netwerkkaart
- Netwerkkaart: ‘telefoon’ voor de computer, zodat de computer met andere computers kan
praten.
-> de brug tussen de computer en een computernetwerk.
Hoorcollege 2: Central Processing Unit
Hoe werkt de CPU?
- CPU (Central Processing Unit)wordt gezien als het brein van de computer.
-> de CPU is een soort hele snelle rekenmachine.
- Een CPU is aangestuurd door simpele instructies.
-> bv. tel twee cijfers bij elkaar op of trek ze van elkaar af, vergelijk twee cijfers, doe iets als
twee cijfers hetzelfde zijn, lees een waarde van de RAM, etc.
, - Computerprogramma’s zijn eigenlijk hele lange series van deze instructies, en een CPU werkt
door deze instructies uit te voeren.
- Veel rekenmachines hebben een geheugenunit die één cijfer kan onthouden helpt om iets
sneller uit te rekenen, omdat je dat niet telkens opnieuw moet invullen.
-> een CPU heeft iets soortgelijks, een register genoemd; als de CPU elke keer als het een cijfer
nodig heeft deze van de RAM moet halen, kost dat tijd.
-> daarom kan de CPU een cijfer opslaan in een lokaal ingebouwd geheugen, en vaak heeft een
CPU meer dan één register.
- Twee soorten registers worden onderscheiden:
1. General-purpose registers: gebruikt voor verschillende rekenkundige en logische
uitvoeringen.
2. Special-purpose registers: voor specifiekere functies, zoals programcounter en instruction
register.
-> programcounter (PC): houdt het geheugenadres van de volgende instructie bij.
-> instruction register (IR): houdt de momenteel opgehaalde instructie vast voor uitvoering.
Fetch-decode-execute cycle
- Om een programma uit te voeren, doet de CPU het volgende:
1. Haalt de instructies op uit het RAM (fetch)
-> het adres van de volgende instructie wordt opgeslagen in de program counter (PC)
-> na het ophalen wordt de instructie opgeslagen in het instruction register (IR)
2. Decodeert de huidige instructie (decode)
-> de operation die vereist is voor de instructie wordt bepaald.
3. Voert het instruction register (IR) uit (execute)
-> de daadwerkelijke operation van de instructie wordt uitgevoerd.
Verschillende type instructies
- Arithmetic (rekenkundig): zeer basale rekenkundige operations op data.
-> zoals optellen, aftrekken, vermenigvuldigen en delen
-> de Arithmetic Logic Unit (ALU), die deel uitmaakt van de CPU, handelt rekenkundige
operations af.
-> in de video zagen we de instructie “ADD 7”, die een rekenkundige operation uitvoert.
- Logical instructions: voert basisoperations uit op bits.
-> logical instructions worden gebruikt om operations uit te voeren op bytes
-> zoals een bit in een byte wissen, een bit in een byte instellen, kijken of twee bits equivalent
zijn (zelfde waarde hebben)
- Data movement instructions: kan gegevens verplaatsen tussen geheugen en registers, of tussen
geheugenlocaties.
-> deze bewegingen kunnen helpen bij het laden van gegevens voor verwerking, of het opslaan
van gegevens van CPU-registers naar geheugenlocaties, of het overbrengen van gegevens
tussen verschillende delen van het programma.
-> in de video zagen we de instructies “LOAD 6” en “STORE 6” die gegevensverplaatsingen
uitvoeren.
- Control flow instructions: hiermee kan het uitvoeringspad van een programma wijzigen (de
‘controlestroom’ wijzigen)
-> standaard voert een CPU de instructies die hij tegenkomt één voor één uit.
-> om een blok instructies te herhalen, hebben we een instructie nodig om de controlestroom te
wijzigen om terug te springen naar het begin van dit blok.
-> deze instructies werken door het geheugenadres van de instructie die we als volgende willen
uitvoeren in de programcounter register te schrijven.
, -> dit kan onvoorwaardelijk (altijd), of op basis van een bepaalde voorwaarde (zoals “is de
waarde van een bepaald register kleiner dan 10?”)
-> in de video zagen we de instructie “JUMP 1” om terug te springen naar de instructie op
geheugenadres 1 en een blok instructies te herhalen.
Snelheid van de CPU
- De werking van een CPU wordt bepaald door een klok.
-> elke tik van de klok zorgt ervoor dat de CPU de volgende actie uitvoert.
- De snelheid van de klok (clock rate of clock frequency) is uitgedrukt in Hertz (Hz)
-> 1 Hz = 1 klok-tik per seconde.
- In het jaar 2000 waren processoren met een clock rate van ongeveer 600 MHz (600.000.000 Hz)
-> tegenwoordig bestaan er CPU’s van ongeveer 5 GHz (5.000.000.000 Hz)
-> dat is dus het aantal klok-tiks per seconde.
- Er zijn meerdere factoren die de snelheid van de CPU bepalen dan alleen de klokfrequentie.
-> daarom kan je CPU’s niet vergelijken gebaseerd op alleen klokfrequentie.
- Het is onmogelijk om de klokfrequentie te blijven verhogen vast op 3,5-5GHz voor de
afgelopen tien jaar.
-> komt door hitteproductie en fysieke beperkingen.
Instruction Set Architecture (ISA)
- De ISA is de set aan instructies die een CPU kan begrijpen en uitvoeren.
-> ISA definieert de machinetaal die software moet gebruiken om de CPU te instrueren.
- De ISA functioneert als een interface tussen de software en de hardware.
-> verschillende CPU’s worden door verschillende bedrijven geproduceerd, met verschillende
architecturen en unieke ISA’s.
- Programma’s die voor één ISA zijn gecompileerd, worden mogelijk niet rechtsreeks op een
andere ISA uitgevoerd.
-> dit komt doordat machinetalen die door de CPU’s worden herkend verschillen.
-> het is wel mogelijk om ze uit te voeren met vertaling of emulatie.
- De meest voorkomende ISA’s: x86, ARM, RISC-V.
Trends in computerarchitectuur
Multicore processors
- Het hebben van meerdere processing units (cores) in dezelfde CPU zorgen voor hogere
prestaties en parallelle uitvoering.
- Vroeger hadden PC’s meestal een single core CPU, maar tegenwoordig meestal tussen de 4 en 8
cores voor een CPU in een normale laptop.
Solid State Drive (SSD)
- De traditionele Hard Disk Drive (HDD) werd geïntroduceerd door IBM in 1956 zo groot als een
auto.
-> het kostte $300.000 en had een capaciteit van 3,75 MB.
- Qua snelheid bieden CPU en RAM voldoende snelheid bij dagelijkse taken.
-> permanente opslagapparaten zoals een harde schijf (HDD) zorgen echter voor enorme
vertraging bij het lezen/schrijven van bestanden.
-> komt omdat een HDD in feite ene fysieke magnetische schijf laat draaien en gegevens op die
schijf opslaat laten draaien van fysiek object is langzamer.
- SSD is daarentegen volledig elektrisch, zonder bewegende onderdelen, waardoor het sneller,
betrouwbaarder en energiezuiniger is.
-> maar nog steeds niet zo snel als in de orde van de CPU en RAM.
The benefits of buying summaries with Stuvia:
Guaranteed quality through customer reviews
Stuvia customers have reviewed more than 700,000 summaries. This how you know that you are buying the best documents.
Quick and easy check-out
You can quickly pay through credit card or Stuvia-credit for the summaries. There is no membership needed.
Focus on what matters
Your fellow students write the study notes themselves, which is why the documents are always reliable and up-to-date. This ensures you quickly get to the core!
Frequently asked questions
What do I get when I buy this document?
You get a PDF, available immediately after your purchase. The purchased document is accessible anytime, anywhere and indefinitely through your profile.
Satisfaction guarantee: how does it work?
Our satisfaction guarantee ensures that you always find a study document that suits you well. You fill out a form, and our customer service team takes care of the rest.
Who am I buying these notes from?
Stuvia is a marketplace, so you are not buying this document from us, but from seller twansteneker. Stuvia facilitates payment to the seller.
Will I be stuck with a subscription?
No, you only buy these notes for $7.66. You're not tied to anything after your purchase.
